NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUẠT ID TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG VCM (SÔNG GIANH) SỬ DỤNG BỘ BIẾN TẦN TRUNG THẾ Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (25)

Mô tả dây chuyền sản xuất xi măng của công ty VCM

1.1.1 Giới thiệu chung về công ty VCM

Công ty Vật liệu Xây dựng Việt Nam (VCM), được thành lập vào năm 2008, chuyên sản xuất xi măng sống và xi măng VCM cung cấp các loại vật liệu xây dựng như xi măng, nguyên liệu cho sản xuất xi măng và sản xuất điện từ các nhà máy năng lượng gió.

Nhà máy xi măng Quảng Phúc, thuộc công ty TNHH vật liệu xây dựng Việt Nam (VCM), sử dụng phương pháp khô với hệ thống lò quay và tháp trao đổi nhiệt hai nhánh Dự án bao gồm nhà máy clinker tại xã Văn Hóa, huyện Tuyên Hóa, có công suất 1,6 triệu tấn/năm và trạm nghiền xi măng Quy mô xây dựng của nhà máy gồm 01 nhà máy clinker với công suất bảo hành 5.000 tấn/ngày (công suất thiết kế 5.500 tấn/ngày) trên diện tích 132,12ha, cùng 01 nhà máy xi măng với công suất thiết kế 2.200.000 tấn/năm trên diện tích khoảng 29,33ha.

Hình 1 1 Mô hình nhà máy xi măng VCM

Chương 1 Tìm hiểu công nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

1.1.2 Quy trình sản xuất xi măng

Quy trình sản xuất xi măng bắt đầu bằng giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, trong đó đá vôi được khai thác từ núi đá tự nhiên thông qua phương pháp nổ mìn và sau đó được vận chuyển đến máy đập Đá vôi sau khi được đập có kích thước khoảng 25x25 mm và được lưu trữ trong kho với hai đống, mỗi đống khoảng 15.000 tấn, nhằm mục đích sử dụng đồng thời Đá sét được khai thác bằng phương pháp cày ủi hoặc khoan nổ mìn, sau đó được vận chuyển đến máy đập búa để giảm kích thước xuống còn 75 mm.

Chương 1 Tìm hiểu công nghệ sản xuất xi măng và quạt ID và đập bằng máy cán trục xuống kích thước 25 mm Sau đập, đá sét được vận chuyển về kho đồng nhất sơ bộ thành 2 đống giống như đá vôi, mỗi đống 6.600 tấn Để đảm bảo chất lượng Clinke, ta cần có các nguyên liệu phụ gia điều chỉnh:

Quặng sắt, quặng bô-xít và đá silic là những nguyên liệu chính trong quá trình sản xuất Nguyên liệu như đá vôi và đá sét được nghiền qua hệ thống cân băng định lượng, tự động xác định khối lượng cần thiết và chuyển đến máy nghiền Đồng thời, sỉ và cát thạch anh cũng được cấp vào máy nghiền qua hệ thống cân định lượng Các thành phần được phối trộn bằng hệ thống cân DOSIMAS và cân băng điện tử, với sự điều khiển tự động từ hệ thống QCS Tỷ lệ % các thành phần được quản lý bởi hệ thống QCX trước khi được nạp vào máy nghiền bi Sau khi nghiền, bột liệu được vận chuyển đến các silô đồng nhất qua hệ thống gầu nâng và máng khí động, và phối liệu được sấy sơ bộ trước khi vào lò nung.

Bột liệu mịn được chuyển lên tháp trao đổi nhiệt 5 tầng với hệ thống tiền nung Canxiner, đạt nhiệt độ 900 °C trước khi nạp vào lò nung clinke (lò quay) Tại đây, phản ứng pha rắn diễn ra, tạo ra clinke ở dạng lỏng với nhiệt độ khoảng 1400 °C Sau khi ra khỏi lò, clinke được làm nguội bằng hệ thống làm mát dàn ghi, trước khi tiến hành nghiền thành xi măng.

Clinke, thạch cao và phụ gia từ kho chứa tổng hợp được vận chuyển lên két máy nghiền qua hệ thống băng tải và gầu nâng Các thành phần này được định lượng bằng hệ thống cân DOSIMAS và nạp vào máy nghiền xi măng Máy nghiền xi măng hoạt động theo chu trình kín với phân ly trung gian, cho ra sản phẩm có độ mịn đạt 3.200 cm²/g Xi măng sau khi nghiền được vận chuyển đến các silô chứa xi măng bột bằng hệ thống băng tải và máng khí động.

Chương 1 Tìm hiểu công nghệ sản xuất xi măng và quạt ID e) Công đoạn đóng bao

Xi măng từ đáy silô được vận chuyển qua hệ thống cửa tháo liệu đến các két chứa của máy đóng bao hoặc các bộ phận xuất xi măng rời đường bộ Máy đóng bao thực hiện việc đóng xi măng vào bao theo khối lượng quy định, sau đó các bao xi măng này được chuyển qua hệ thống băng tải đến các máng xuất đường bộ, đường sắt và đường thủy.

Công nghệ và yêu cầu điều khiển quạt ID

1.2.1 Công nghệ quạt ID (Induced Draft Fan)

Vai trò của quạt ID trong nhà máy xi măng được thể hiện trong sơ đồ dưới đây:

Hình 1 3 Vai trò của quạt ID trong dây chuyền sản xuất xi măng

Trong nhà máy xi măng, quạt ID đóng vai trò quan trọng và được xem như lá phổi của toàn bộ hệ thống Đây là loại quạt có công suất lớn, góp phần đảm bảo hiệu suất hoạt động của nhà máy.

Khí nóng từ ghi làm lạnh ≈ 900°C

Phối liệu từ cyclon cuối vào lò nung

Dòng khí nóng Dòng phối liệu

THIẾT BỊ GHI LÀM LẠNH CLINKE

Chương 1 Tìm hiểu công nghệ sản xuất xi măng và quạt ID nhất cùng với quạt của máy nghiền Quạt ID được đặt sau tháp trao đổi nhiệt và buồng phân hủy trong hệ thống lò nung Quạt ID dùng để tạo áp suất âm trong hệ thống silo, buồng phân hủy và lò nung để hút các loại gió vào hệ thống, cung cấp cho các quá trình cháy trong lò, buồng phân hủy và quá trình sấy liệu trong các cyclone

Có 3 loại gió cơ bản lần lượt là gió 1, gió 2 và gió 3 Gió 1 là gió tươi từ môi trường, có tác dụng tạo hình dáng ngọn lửa đốt than cháy, mang nhiên liệu (than) và dầu FO dưới dạng sương vào lò nung Gió 2 là một phần gió sau làm lạnh clinker (dàn ghi lạnh) cuốn vào lò, đảm bảo lượng oxy đủ để nhiên liệu cháy hết Gió 3 là phần gió được hút từ bộ phận làm nguội clinker cung cấp cho vòi đốt canxiner, đảm bảo nhiên liệu đưa vào buồng phân hủy cháy hết và sấy sơ bộ liệu trước khi vào lò Tổng là gió

Khi gió 2 vào lò và gió 3 được hút qua canxiner và tháp 5 tầng bằng quạt ID, nếu quạt ID gặp sự cố và dừng đột ngột, áp suất trong lò có thể tăng lên, dẫn đến nguy cơ lửa và bột liệu phun ra ngoài, gây nguy hiểm cho công nhân và người vận hành.

Quá trình cháy trong lò: khí để đốt cháy trong lò bao gồm gió 1 qua vòi đốt, gió

Khí 2 và khí giả được cuốn vào lò nhờ sức hút từ quạt ID Trước khi vào lò, gió 2 thực hiện quá trình trao đổi nhiệt với clinker nóng, làm tăng nhiệt độ của khí từ mức môi trường lên cao hơn.

Nhiệt độ trong lò được duy trì từ 900 đến 1100°C, với lượng gió được điều chỉnh bằng quạt gió ID và van áp suất để đảm bảo hàm lượng O2 tại đầu ra lò Việc này giúp nhiên liệu được bơm vào lò cháy hết hoàn toàn Tại vòi đốt, gió 1 được hút vào mang theo nhiên liệu (than cám) và dầu FO dạng sương, đồng thời làm mát vòi đốt trong quá trình đốt.

Buồng phân hủy và quá trình sấy liệu trong các cyclone: Lượng gió được quạt

Quạt ID tạo ra gió cho buồng phân hủy và tháp trao đổi nhiệt, điều chỉnh lượng gió trong buồng phân hủy để đảm bảo đủ O2 cho quá trình cháy nhiên liệu Gió qua tháp trao đổi nhiệt, gồm 5 cyclone, giúp sấy bột liệu trước khi vào cổ lò, được lấy từ dàn ghi làm mát clinker và một phần từ buồng phân hủy Khí thải từ các cyclone được phân tích liên tục để theo dõi hàm lượng O2 và CO, đảm bảo quy trình hoạt động hiệu quả.

O 2 trong lò và buồng phân hủy cho nhiên liệu cháy hoàn toàn Mức O 2 quá thấp hoặc

Chương 1 Tìm hiểu công nghệ sản xuất xi măng và quạt ID quá cao đều phải điều chỉnh tương ứng lượng gió bằng các van của quạt gió ID Khí thải từ tháp trao đổi nhiệt cũng được phân tích thành phần CO liên tục vì mức CO quá cao sẽ gây nguy hiểm (gây cháy hoặc nổ do sự bốc cháy tự phát trong máy sau tháp trao đổi nhiệt) Vì thế nó có vai trò rất quan trọng và không thể thiếu trong nhà máy xi măng

Hình 1 4 Hình ảnh tháp 5 tầng và lò quay

1.2.2 Yêu cầu điều khiển của quạt ID Điều khiển tốc độ quạt để giữ cho áp suất lò ổn định: quạt ID tạo nên áp suất âm cho lò (sự chênh áp ở 2 đầu lò) để có thể tạo sức hút, hút gió nóng đã qua trao đổi nhiệt với clinker qua lò và qua buồng phân hủy (canxiner), hệ thống cyclone sấy, đồng thời đảm bảo ổn định tốc độ gió để giữ cho hình dạng ngọn lửa trong lò không đổi Khi áp suất lò thay đổi có thể dẫn tới hiện tượng tắc cổ lò làm hỏng hoàn toàn lò và có thể gây nổ rất nguy hiểm Do đó tốc độ quạt ID phải được điều chỉnh để luôn luôn giữ áp suất của lò ổn định Khi áp suất đầu ra của lò tăng, tín hiệu điều khiển sẽ ra lệnh để tăng tốc độ của quạt hoặc tăng độ mở của van để giảm áp suất và ngược lại Gió trong lò lưu thông theo một chiều nên quạt ID không đổi chiều quay

Các thiết bị cảm biến nhiệt độ, van áp suất, thiết bị điều khiển phải làm việc được trong môi trường khắc nghiệt trong thời gian dài

Đặc tính quạt và phương pháp điều khiển lưu lượng

1.3.1 Cấu tạo quạt và nguyên lý hoạt động của quạt ID

Quạt ID trong nhà máy xi măng là loại quạt ly tâm, hoạt động dựa trên nguyên lý di chuyển dòng khí theo phương vuông góc với trục quay của quạt.

Quạt ly tâm có cấu tạo nhiều cánh, cắt không khí gián tiếp, tạo sức gió và sức ép lớn, cột áp lớn (500-100000 Pa), truyền ống gió đi xa

Cấu tạo của quạt ly tâm gồm có guồng quạt, vỏ quạt, trục máy và giá máy:

- Guồng quay có tác dụng tạo áp lực và chuyển khí vào bên trong máy

Vỏ quạt có chức năng hội tụ và điều hướng dòng không khí, giúp tối ưu hóa hiệu suất quạt Đối với quạt nhỏ, vỏ quạt có thể được gắn trực tiếp vào quạt, trong khi với quạt lớn, vỏ quạt cần được đặt trên một bệ đỡ riêng biệt.

Động cơ được gắn trên giá đỡ, truyền chuyển động cho quạt thông qua đai truyền Vận tốc của quạt có thể điều chỉnh được nhờ vào tỷ số truyền động của hệ đai truyền và puli.

Quạt ly tâm có thể chia làm 2 loại là có dây guloa (lớn hơn 3kW) hoặc không dây guloa (nhỏ hơn 3kW)

Hình 1 5 Quạt ID và cánh quạt ID

Khi rotor hoạt động, không khí được hút dọc theo trục và nhờ lực ly tâm, nó được đẩy ra xung quanh vỏ quạt theo hướng vuông góc với trục Quạt ly tâm nổi bật với khả năng nâng cao áp suất không khí và hoạt động êm ái hơn so với quạt hướng trục.

1.3.2 Đặc tính quạt Đặc tính của quạt ly tâm thường thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng gió Q và áp suất P tác dụng lên đường ống là độ mở van và là tốc độ của quạt Quạt làm việc tại điểm A là giao giữa đường đặc tính của đường ống ứng với độ mở van và đường đặc tính quạt Tại điểm A ứng với lưu lượng gió và áp suất Ở quạt gió, momen tỷ lệ với bình phương tốc độ đồng nghĩa momen tỷ lệ với bình phương lưu lượng và công suất quạt tỷ lệ với lập phương tốc độ quạt

Hình 1 6 Đồ thị đặc tính quạt gió

Phương trình đặc tính cơ của quạt:

1.3.3 Phương pháp điều chỉnh lưu lượng gió Đối với quạt ly tâm, để điều chỉnh lưu lượng quạt, người ta thường dùng 2 phương pháp sau:

- Điều chỉnh góc mở van tiết lưu (sử dụng đặc tính hệ thống)

Điều chỉnh tốc độ quạt có thể thực hiện thông qua van tiết lưu, một phương pháp đơn giản và tiện lợi, được ứng dụng rộng rãi Van tiết lưu có thể được lắp đặt ở ống đẩy hoặc ống hút của quạt, giúp giữ tốc độ quạt ở giá trị định mức trong khi thay đổi góc mở van để điều chỉnh lưu lượng Khi giảm góc mở van tiết lưu, đường đặc tính của ống sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đổi trong điểm làm việc của quạt từ Ao, A1, A2,… tương ứng với các lưu lượng Q0, Q1, Q2,…

Hình 1 7 Đồ thị mô tả phương pháp điều chỉnh góc mở van tiết lưu

Phương pháp tiết lưu có nhược điểm là khi van mở nhiều hoặc góc mở hẹp, lưu lượng giảm nhưng áp suất đường ống lại tăng, gây áp lực lớn lên cánh quạt Trong khi đó, phương pháp điều chỉnh tốc độ quạt giữ đường đặc tính đường ống không đổi, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động.

Để điều chỉnh lưu lượng Q của quạt, ta cần thay đổi đường đặc tính của quạt bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt Như hình 1.8 minh họa, khi muốn giảm lưu lượng quạt từ Q0 xuống Q1, ta thực hiện việc thay đổi điểm làm việc dọc theo đường đặc tính của đường ống tương ứng.

Chương 1 Tìm hiểu công nghệ sản xuất xi măng và quạt ID với việc thay đổi số vòng quay của quạt Số vòng quay của quạt được thay đổi bằng việc điều chỉnh tốc độ của động cơ sơ cấp kéo quạt

Phương pháp điều chỉnh lưu lượng này linh hoạt hơn so với việc sử dụng van tiết lưu, vì nó cho phép điều khiển lưu lượng theo cả hai chiều, tăng hoặc giảm Trong khi đó, van tiết lưu chỉ có khả năng giảm lưu lượng Hơn nữa, phương pháp này không gây ra tổn thất năng lượng như van tiết lưu, do việc tăng áp lực trong ống dẫn Vì vậy, điều chỉnh tốc độ quạt mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn trong quá trình vận hành.

Hình 1 8 Đồ thị mô tả phương pháp điều chỉnh tốc độ quạt

Để điều chỉnh lưu lượng đầu ra giảm từ QO đến Q1, có hai phương pháp: thay đổi điểm làm việc từ AO đến A1 theo đường đặc tính máy (I) hoặc từ AO đến B1 theo đường đặc tính đường ống (II) Khi điều chỉnh theo phương pháp (I), áp suất tăng từ PAO đến PA1 do góc mở van tiết lưu giảm, làm tăng áp lực đường ống Công suất tiêu thụ của quạt tại A1 được tính bằng tích số áp suất và lưu lượng (PA1 Q1) Ngược lại, khi điều chỉnh theo phương pháp (II), áp suất giảm từ PAO đến PB1, và công suất tiêu thụ tại B1 là (PB1 Q1) Rõ ràng, PA1 lớn hơn PB1, cho thấy phương pháp điều chỉnh thứ hai hiệu quả hơn trong việc tiết kiệm năng lượng.

Chương 1 Tìm hiểu công nghệ sản xuất xi măng và quạt ID hai thì hệ thống đã tiết kiệm được lượng công suất: P PA1 Q1 - P B1 Q1 so với cách điều chỉnh ban đầu

Sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ quạt giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn so với điều chỉnh độ mở van Năng lượng tiết kiệm được tỷ lệ thuận với diện tích hình chữ nhật P A1 P B1 B 1 A 1.

Hình 1 9 Đồ thị so sánh hai phương pháp

Việc sử dụng dòng biến tần để điều chỉnh lưu lượng và áp suất trong máy móc có trang bị quạt và bơm là phương pháp hiệu quả nhất để tiết kiệm năng lượng Người dùng có thể điều khiển quạt hoặc bơm ở bất kỳ tốc độ nào dưới mức tối đa cho phép, giúp điều chỉnh lưu lượng gió mà không cần sử dụng van điều tiết lưu lượng hay van điều áp.

Giới thiệu về biến tần trung thế Perfect Harmony

2.1.1 Biến tần và biến tần trung thế

Biến tần là thiết bị điều chỉnh tần số dòng điện cung cấp cho cuộn dây trong động cơ, cho phép điều khiển tốc độ động cơ một cách linh hoạt mà không cần hộp số cơ khí Thiết bị này sử dụng linh kiện bán dẫn để tuần tự đóng ngắt các cuộn dây, tạo ra từ trường xoay giúp quay rô-to.

Dải công suất của BBT trung thế: 0,4 MW tới 40 MW Dải điện áp: 2,3 kV tới 13,8 kV Trong công nghiệp: 1 MW tới 4 MW và dải điện áp 3,3 kV tới 6,6 kV

Bộ biến tần hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản: nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều phẳng qua bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện, giúp hệ số công suất cosphi đạt ít nhất 0,96 và không phụ thuộc vào tải Điện áp một chiều này sau đó được biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng thông qua công nghệ IGBT và phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ sự tiến bộ trong công nghệ vi xử lý và bán dẫn, tần số chuyển mạch có thể đạt đến dải tần số siêu âm, giảm tiếng ồn cho động cơ và tổn thất trên lõi sắt.

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha có khả năng điều chỉnh biên độ và tần số tùy theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, mối quan hệ giữa điện áp và tần số phụ thuộc vào chế độ điều khiển; với tải có momen không đổi, tỉ số điện áp - tần số giữ nguyên Tuy nhiên, đối với tải bơm và quạt, mối quan hệ này là hàm bậc 4, trong đó điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này dẫn đến đặc tính momen là hàm bậc hai của tốc độ, phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt, do momen cũng là hàm bậc hai của điện áp Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao nhờ vào thiết kế tối ưu.

Chương 2 Bộ biến tần Perfect Harmony của Siemens các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA

Hình 2 1 Cấu trúc cơ bản của biến tần

2.1.2 Đặc điểm của bộ biến tần trung thế Perfect Harmony

Biến tần trung thế Perfect Harmony là thiết bị có điện áp cao và công suất lớn, sử dụng các Cell ghép nối để tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau thông qua phương pháp điều khiển xung PWM Việc này giúp đầu ra điện áp gần giống hình sin, nâng cao chất lượng dòng điện Tuy nhiên, dải công suất lớn cũng gây ra hiện tượng sóng hài, làm giảm chất lượng nguồn điện Để khắc phục, bộ chỉnh lưu nhiều xung đã được thiết kế nhằm giảm thiểu sóng hài và cải thiện chất lượng nguồn điện.

Biến tần Perfect Harmony có hiệu suất cao và khả năng lọc sóng hài hoàn hảo cho cả điện lưới và động cơ, nổi bật với chức năng dự phòng nóng trong điều khiển điện áp dao động và khắc phục sự cố khi có lỗi Sản phẩm này rất phù hợp cho các dự án mới, nâng cấp hệ thống và tiết kiệm điện năng Biến tần được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như xi măng, nhiệt điện, thủy điện, sắt thép, mỏ, và nhiều lĩnh vực khác.

Chương 2 Bộ biến tần Perfect Harmony của Siemens

Hình 2 2 Cấu trúc tổng thể biến tần Perfect Harmony

Bộ biến tần trung thế Perfect Harmony được cấu tạo từ các cell mắc nối tiếp, cho phép tạo ra nhiều mức điện áp khác nhau Đầu ra của biến tần này là điện áp cao, nhờ vào sự kết hợp của nhiều cell công suất điện áp thấp Thiết kế các cell công suất điện áp thấp này giúp biến tần có khả năng điều chỉnh đầu ra theo dải rộng của điện áp và công suất, mang lại hiệu quả tối ưu cho người sử dụng.

Cấu tạo của mỗi cell bao gồm một máy biến áp, bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu, tạo ra điện áp xoay chiều với tần số và điện áp có thể điều chỉnh Bộ nghịch lưu của biến tần trung thế Perfect Harmony sử dụng bộ chỉnh lưu nhiều xung, trong đó có các bộ chỉnh lưu sáu van diot mắc nối tiếp Để tạo cầu chỉnh lưu 12 xung, cần mắc nối tiếp 2 bộ chỉnh lưu 6 van, và tương tự cho các bộ chỉnh lưu 18, 24, 30 xung, v.v.

Với BBT nhiều xung, dòng điện đầu vào ít bị méo, độ méo sóng hài dòng điện THD của BBT 6 xung là 25%, 12 xung là 8,8% và của Perfect Harmony là 0,8%

2.1.3 Mạch chỉnh lưu a) Chỉnh lưu cơ bản

Hình 2 3 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

Sơ đồ sử dụng 6 van điốt để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều nhờ vào tính năng của điốt, cho phép dòng điện chỉ đi qua theo một chiều cố định Khi dòng điện xoay chiều đi qua mạch chỉnh lưu, nó sẽ được biến đổi thành dòng điện một chiều Tuy nhiên, sau khi đi qua mạch chỉnh lưu, dòng điện một chiều vẫn còn một phần điện áp xoay chiều (gợn sóng) Để làm phẳng điện áp và tạo ra điện áp một chiều chất lượng cao cho mạch nghịch lưu, tụ lọc C sẽ được kết nối vào mạch.

Hình 2 4 Đồ thị dạng sóng của bộ chỉnh lưu diode sáu xung với tải điện trở

Chương 2 Bộ biến tần Perfect Harmony của Siemens b) Chỉnh lưu nhiều xung Để giảm hiện tượng sóng hài và tăng cao chất lượng điện thì người ta có sử dụng bộ chỉnh lưu nhiều xung gồm các mạch chỉnh lưu 6 van điốt mắc nối tiếp với nhau để tạo ra các bộ chỉnh lưu 12, 18, 24, 30 xung Ở Perfect Harmony, góc lệch pha giữa các đầu vào chỉnh lưu giữa các cell trong 1 pha là

(với s là số cell mắc nối tiếp với nhau trên 1 pha) sẽ do máy biến áp dịch pha tạo ra trước khi đưa tới bộ chỉnh lưu nhiều xung

Hình 2 5 Mạch chỉnh lưu nhiều xung của bộ biến tần Perfect Harmony

Bộ biến tần trung thế khác với biến tần thông thường nhờ vào điện áp cao và công suất lớn, sử dụng nghịch lưu một pha ghép nối tiếp để tạo ra nhiều mức điện áp phù hợp Mạch nghịch lưu của biến tần Perfect Harmony được thiết kế với mạch nghịch lưu cầu H nối tầng.

Sơ đồ nghịch lưu cơ bản bao gồm 4 van bán dẫn công suất T1, T2, T3, T4 và các điốt để trả công suất phản kháng của tải về lưới, giúp tránh hiện tượng quá áp ở đầu nguồn Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo nguồn đầu vào là nguồn hai chiều, vì nguồn một chiều thường chỉ cho phép dòng đi theo một chiều do được cấp bởi chỉnh lưu Do đó, tụ C có vai trò tiếp nhận công.

Chương 2 Bộ biến tần Perfect Harmony của Siemens suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp (giá trị C càng lớn nội trở của nguồn càng nhỏ và điện áp đầu vào được san phẳng)

Sơ đồ mạch nghịch lưu cầu một pha hoạt động theo nguyên lý như sau: Trong nửa chu kỳ đầu tiên (0÷θ2), cặp van T1 và T4 dẫn điện, cung cấp điện áp U t =E cho tải Khi đến thời điểm θ2, T1 và T4 bị khóa, trong khi T2 và T3 được mở, khiến tải kết nối với nguồn theo chiều ngược lại, đổi chiều điện áp thành U t =-E Dù điện áp thay đổi, dòng điện vẫn giữ nguyên hướng cũ, vì T1 và T4 bị khóa, dòng điện sẽ đi qua điốt D2 và D3 Lúc này, suất điện động cảm ứng trên tải trở thành nguồn trả năng lượng qua D2 và D3 về tụ C.

Hình 2 7 Đồ thị các thông số của nghịch lưu cầu 1 pha nguồn áp

Tương tự như vậy khi khóa cặp T2, T3 dòng tải sẽ khép mạch qua D1, D4 b) Nguyên lý tạo xung PWM cho nghịch lưu cầu 1 pha

Xung điều khiển van T1, T2 được tạo ra bằng cách so sánh tín hiệu sin chuẩn

U đkA với tín hiệu răng cưa tần số cao U rc , có độ rộng tương ứng với thời điểm

U đkA =U rc Còn xung điều khiển van T4, T3 có độ rộng tương ứng với thời điểm UđkB

Khi U đkA > U rc thì T1 có xung điều khiển, T 1 mở U AN = +V dc

Khi U đkA < U rc thì T2 mở U AN = 0

Khi U đkB > -U rc thì T3 mở U BN = +V dc

Khi U đkB < -U rc thì T4 mở U BN = 0

Hình 2 8 Nguyên lý tạo xung PWM nghịch lưu cầu 1 pha Điện áp trên tải U AB gồm 3 mức điện áp: -V dc , 0, +V dc

2.1.5 Nguyên lý điều khiển mạch nghịch lưu cầu H nối tầng của BBT Perfect Harmony

Mạch nghịch lưu của BBT trung thế Perfect Harmony cung cấp điện cho quạt ID sử dụng sơ đồ nghịch lưu cầu H nối tầng, trong đó mỗi pha bao gồm 5 cell nghịch lưu cơ bản Cấu trúc nghịch lưu này được thiết kế theo dạng cầu H, đảm bảo hiệu suất và tính ổn định cho hệ thống.

Hình 2 9 Sơ đồ nghịch lưu trung thế 11 mức của BBT Perfect Harmony

Cấu hình chung hệ thống điều khiển của Perfect Harmony

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tổng quát BBT gồm các khối:

- Khối ghép nối tín hiệu (Signal Interface)

- Khối đo lường (Conditioning Boards)

- Khối biến đổi A/D (A/D converter board)

- Khối sử lý trung tâm (Pentium Processor Board)

- Khối đầu vào số (Digital Modulator Board)

- Một hoặc hai khối truyền xung sử dụng cáp quang (Fiber Optic Interface Boards)

Hình 2 13 Sơ đồ khối tổng quát BBT Perfect Harmony

Khối ghép nối tín hiệu xử lý phản hồi sử dụng hệ số tỉ lệ lọc và truyền tín hiệu tới khâu biến đổi A/D qua cáp 50 sợi Khối biến đổi A/D chuyển đổi tín hiệu phản hồi thành tín hiệu số để gửi đến khâu xử lý trung tâm Tần số mẫu từ 3-6 kHz phụ thuộc vào tần số chuyển mạch của IGBT Cuối cùng, khối Digital Modulator phát tín hiệu ra.

Chương 2 Bộ biến tần Perfect Harmony của Siemens khối biến đổi A/D để bắt đầu chu kỳ mẫu Khi khối biến đổi A/D kết thúc chu kỳ lấy mẫu, sẽ phát 1 xung ngắt đến khâu xử lý trung tâm bắt đầu chu kỳ tính toán Khâu xử lý sẽ tính toán các bộ điều chỉnh và phát ra 3 tín hiệu chuẩn 3 pha RA, RB, RC cho khâu điều chế xung điều khiển, thu thập và xử lý tín hiệu phản hồi cho chỉ thị dòng điện, điện áp, công suất: thực hiện chức năng bảo vệ (quá dòng, thấp áp, quá áp một pha) Khối điều chế gồm 4 khâu EPLD, một khâu EPLD chủ và 3 khâu EPLD tớ Mỗi khâu EPLD sẽ thực hiện chức năng điều chế và truyền thông cho 5 cell Chức năng của EPLD là dịch xung tam giác, điều chế PWM và truyền thông cho 5 cell Tín hiệu cung cấp điều khiển được truyền cho IGBT thông qua cáp quang Tín hiệu trạng thái của các cell được thu nhận và mã hóa nhờ một khâu EPLD và truyền về khâu xử lý trung tâm Một bộ phận phần cứng của EPLD thực hiện chức năng nhận tín hiệu từ các cell và truyền tín hiệu đến cell là FOLA (Fiber Optic Link Adapter)

Khâu EPLD đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ thông tin về các sự cố nguồn, phần cứng và truyền thông với khâu điều khiển Bypass Khi phát hiện sự cố ở một cell, khâu EPLD sẽ gửi tín hiệu đến khâu điều khiển Bypass để kích hoạt công tắc tơ Bypass của cell đó.

Bảng giao diện sợi quang (Fiber Optic Interface Board) có nhiệm vụ truyền tín hiệu xung đến 15 cell của BBT Khâu điều khiển từng cell (CCB) sẽ chuyển đổi tín hiệu xung nhận được thành tín hiệu xung điều khiển cho IGBT.

Cấu hình điều khiển vector của BBT Perfect Harmony

2.3.1 Ưu điểm của BBT Perfect Harmony

BBT Perfect Harmony không gây méo hài trong hệ thống điện nhà máy và không yêu cầu bộ lọc phía nguồn, mang lại hệ số công suất cao trên 95% Với sóng sin ít bị méo (THD thấp), sản phẩm không làm nóng động cơ hay tạo ra momen xoắn kích thích cộng hưởng cơ học, đồng thời vận hành êm ái mà không gây tiếng ồn Perfect Harmony cho phép sử dụng momen xoắn không giới hạn trong phạm vi tốc độ, chỉ bị giới hạn bởi nhiệt độ của động cơ Đặc biệt, với cấu trúc modul, khi một modul gặp lỗi, bộ vi xử lý có khả năng xác định chính xác vị trí lỗi và cho phép thay thế nhanh chóng trong vài phút, đảm bảo hoạt động tin cậy.

2.3.2 Thuật toán điều khiển vector của BBT Perfect Harmony

Perfect Harmony áp dụng công nghệ điều khiển vector để điều khiển động cơ không đồng bộ và đồng bộ, mang lại sự đơn giản trong việc điều khiển tương tự như động cơ một chiều Thuật toán điều khiển vector bao gồm các thành phần cơ bản quan trọng.

- Mô hình động cơ: xác định từ thông và tốc độ

- Các bộ điều chỉnh dòng: sử dụng ở vòng điều chỉnh trong

- Bộ điều chỉnh tốc độ và từ thông: là các bộ điều chỉnh vòng ngoài

- Các bộ bù: cải thiện đáp ứng của vòng momen và từ thông

Hình 2 14 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển vector của BBT Perfect Harmony

Mô hình động cơ (Motor Model) được sử dụng để đo lường điện áp và dòng điện, từ đó tính toán sụt áp trên điện trở nhằm ước lượng từ thông stator của động cơ Nó cũng hỗ trợ trong việc tính toán tốc độ và góc từ thông Đặc biệt, điện trở stator được bù tự động, giúp đơn giản hóa phương trình động cơ thông qua việc chuyển đổi 3 pha của động cơ xoay chiều trong hệ quy chiếu đứng yên.

Chương 2 Bộ biến tần Perfect Harmony của Siemens sang động cơ một chiều (hệ quy chiếu dq) Khâu PLL sẽ tính toán góc từ thông và tần số stator Biên độ từ thông động cơ được điều khiển bằng bộ điều chỉnh từ thông Tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ được xác định từ tốc độ stator và tốc độ trượt bằng bộ điều chỉnh tốc độ

2.3.3 Hệ thống điều khiển vòng hở (Open Loop Vector Control)

Hệ thống điều khiển vector vòng hở (OLVC) là giải pháp lý tưởng cho các hệ truyền động một động cơ, hoạt động mà không cần encoder Thay vào đó, nó sử dụng khâu tính độ trượt dựa trên hàm momen phụ tải để đảm bảo chất lượng điều khiển tương đương với các sơ đồ cảm biến tốc độ Hệ thống này có khả năng đáp ứng chất lượng điều khiển ở vùng tốc độ lớn hơn 1 định mức, với tốc độ phản hồi được tính toán từ tần số stator và tốc độ trượt ước lượng Đặc biệt, phương pháp này cho phép bù trượt tự động, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

2.3.4 Hệ thống điều khiển vòng kín (Closed Loop Vector Control)

Hệ thống điều khiển vector vòng kín (CLVC) được ứng dụng cho các hệ truyền động điện hoạt động ở tốc độ động cơ thấp dưới 1 Hz và trong điều kiện có momen xoắn cao Để đảm bảo hiệu suất, việc sử dụng encoder để phản hồi tốc độ là cần thiết, đồng thời biến tần cần có bộ phận giao tiếp với encoder trong phần cứng.

Sơ đồ điều khiển vector vẫn giữ nguyên như hình 2.14, nhưng khối tính toán bù trượt đã bị vô hiệu hóa Do đó, phản hồi tốc độ từ encoder được sử dụng trực tiếp làm đầu vào cho bộ điều chỉnh tốc độ.

Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển lưu lượng

Tổng quan về điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) xoay chiều ba

3.1.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha là máy điện quay không đồng bộ ba pha, có cấu tạo gồm 2 phần chính là stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay) Stator được cấu tạo từ ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 o trong không gian, được cung cấp điện từ lưới điện, thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ, gây nên sức điện động và dòng điện cảm ứng lên dây quấn rotor Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) gồm 2 loại chính (dựa theo cấu tạo): rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch) và rotor dây quấn Rotor dây quấn gồm các dây quấn pha quấn trong các rãnh tượt của rotor, với số cực bằng với số cực của stator, đầu ra dây quấn được khép kín mạch qua điện trở Khác với rotor dây quấn, rotor lồng sóc có các thanh dẫn làm bằng đồng được nối ngắn mạch hai đầu bởi các vành ngắn mạch

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) với rotor lồng sóc và rotor dây quấn được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nhờ vào những ưu điểm nổi bật như cấu tạo đơn giản, đặc biệt là ở động cơ rotor lồng sóc So với động cơ một chiều (ĐCMC), ĐCKĐB có chi phí thấp hơn, vận hành ổn định và đáng tin cậy Thêm vào đó, ĐCKĐB có thể kết nối trực tiếp với lưới điện xoay chiều ba pha mà không cần thiết bị biến đổi bổ sung Tuy nhiên, một trong những nhược điểm của ĐCKĐB là khả năng điều chỉnh tốc độ còn hạn chế.

Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển lưu lượng khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ rotor lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn so với động cơ một chiều (ĐCMC)

Hiện nay, nhờ vào sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ bán dẫn công suất cao và vi xử lý, các bộ điều khiển ĐCKĐB đã được phát triển với hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn so với bộ điều khiển ĐCMC Vì vậy, ĐCKĐB có khả năng thay thế ĐCMC trong nhiều ứng dụng khác nhau.

3.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ĐCKĐB làm việc theo nguyên lý cảm ứng, trong đó không có sự phân ly giữa phần cảm và phần ứng Từ thông động cơ và momen là các hàm phi tuyến của nhiều biến Vì vậy mà trong định hướng xây dựng hệ truyền động ĐCKĐB người ta có xu hướng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của ĐCMC kích từ độc lập

Để điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ với một momen cản M c xác định, có hai phương pháp chính: điều chỉnh tốc độ đồng bộ thông qua việc thay đổi tần số và điều chỉnh công suất tổn hao bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rotor và công suất trượt.

Bảng 3 1 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Phương pháp điều chỉnh điện áp stator có khả năng điều chỉnh tốc độ và momen hạn chế, thường được áp dụng để khởi động động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc cho bơm và quạt Trong khi đó, phương pháp điều chỉnh điện trở phụ chỉ thích hợp cho rotor dây quấn, mặc dù có momen khởi động lớn, nhưng hiệu suất truyền động giảm khi điều chỉnh tốc độ sâu, nên thường được sử dụng trong các cơ cấu nâng hạ cầu trục Cuối cùng, phương pháp điều chỉnh công suất trượt cũng chỉ áp dụng cho rotor dây quấn và mặc dù mang lại hiệu quả kinh tế, nó yêu cầu công suất lớn hơn 400kW.

Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cấp hiện nay là phương pháp tối ưu nhất, vì nó điều chỉnh trực tiếp công suất đầu vào của động cơ và duy trì đặc tính cơ với độ cứng không thay đổi trong dải điều chỉnh rộng Sự phát triển của điện tử công suất đã làm giảm giá thành các bộ biến đổi, đồng thời nâng cao tính năng kỹ thuật, khiến hệ truyền động điều chỉnh tần số trở nên phổ biến hơn bao giờ hết.

3.1.3 Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ Điều chỉnh tần số ĐCKĐB chia làm 2 hướng chủ yếu: điều khiển vô hướng và điều kiển vector Điều khiển vô hướng xuất phát từ thông số điều khiển từ thông stator thông qua các giá trị biên độ của đại lượng điện áp và dòng điện stator Điều khiển vô hướng gồm 2 loại chính: điều khiển điện áp - tần số để từ thông stator là hàm của momen tải √ và điều khiển điện áp - tần số sao cho từ thông stator luôn không đổi trong toàn dải điều chỉnh Điều khiển vector là ứng dụng phép biến đổi tuyến tính không gian vector để biến đại lượng điện sang dạng vector và điều chỉnh nó Có 2 phương pháp chủ yếu là điều khiển tựa theo từ thông rotor (FOC) và điều khiển momen trực tiếp (DTC) Phương pháp FOC dùng công cụ biến đổi vector để ước lượng vector từ thông rotor và điều chỉnh nó Nội dung phương pháp DTC là điều khiển vị trí vector từ thông stator để điều khiển momen động cơ

Trong bài viết này, chúng tôi nghiên cứu phương pháp FOC (Field-Oriented Control) nhờ vào những ưu điểm vượt trội đã được kiểm chứng thực tế Phương pháp này được ứng dụng trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc của quạt ID, như đã được trình bày trong chương 2 của BBT Perfect Harmony.

Xây dựng mô hình động cơ trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ quay dq)

Để thiết kế cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha theo nguyên lý tựa theo từ thông rotor (FOC), cần xây dựng mô hình động cơ trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor, hay còn gọi là hệ tọa độ quay đồng bộ dq Bài viết này sẽ tập trung vào những ưu điểm của hệ tọa độ này và phát triển mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên đó, với nội dung mô hình hóa được tham khảo từ chương 3 của tài liệu [1].

3.2.1 Ưu thế của hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor dq a) Nguyên lý điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập (ĐCMC)

Động cơ một chiều (ĐCMC) kích từ độc lập có những đặc điểm quan trọng, được thể hiện qua hai phương trình cơ bản Những phương trình này mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng điện trong hệ thống, giúp hiểu rõ hơn về hoạt động và hiệu suất của động cơ.

Momen quay của động cơ (M m) liên quan đến từ thông (Φ m) và dòng điện phần ứng (I ư), cùng với dòng điện kích từ (I kt) và các hằng số động cơ (k 1, k 2).

Hình 3 2 Sự tương quan giữa điều khiển ĐCMC và điều khiển vector ĐCKĐB

Phương trình (3.1) chỉ ra rằng từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng kích từ I kt, cho phép điều khiển từ thông thông qua dòng điện kích từ Ngoài ra, momen động cơ một chiều tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng Iư.

Hai dòng I kt và I ư có thể trực tiếp làm đại lượng điều khiển cho từ thông và momen quay của động cơ Việc biểu diễn ĐCKĐB trên hệ tọa độ quay dq mang lại nhiều ưu thế.

Đối với ĐCKĐB, mối quan hệ giữa dòng điện và từ thông không rõ ràng như ở ĐCMC do cấu trúc mạch điện ba pha phức tạp Các đại lượng điện không thể tách biệt một cách đơn giản, vì vậy cần tìm ra giải pháp để mô tả ĐCKĐB tương tự như ĐCMC nhằm mục đích đơn giản hóa việc điều khiển.

Hình 3 3 Biểu diễn ba dòng pha dưới dạng vector phức

Ba dòng pha i su, i sv và i sw của ĐCKĐB không nối điểm trung tính, thỏa mãn điều kiện i su(t) + i sv(t) + i sw(t) = 0 Các dòng này có thể được biểu diễn dưới dạng vector i s(t) quay trong không gian với tần số stator f s Vector i s được tính bằng tổng ba dòng pha, và các dòng pha này là hình chiếu của vector i s xuống trục của các cuộn dây Tương tự, vector điện áp u s cũng có đặc điểm quay quanh gốc với cùng tốc độ góc.

Khi chiếu các vector lên hệ tọa độ cố định với stator, hình chiếu của chúng lên các trục có dạng hình sin do chuyển động tương đối của các vector so với hệ tọa độ.

Trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor dq, các đại lượng dòng điện, điện áp và từ thông sẽ trở thành các đại lượng một chiều khi ở chế độ xác lập Mối liên hệ giữa dòng i sd với từ thông rotor và dòng i sq với moment động cơ tương tự như ở ĐCMC Sau khi xây dựng vector không gian cho các đại lượng dòng, áp, từ thông động cơ trong hệ tọa độ ba pha, và chuyển đổi sang hệ tọa độ tựa từ thông rotor dq, ta thu được một mối quan hệ đơn giản.

Trong đó: Ψ rd : hình chiếu trên trục d của vector từ thông rotor

I sd , I sq : hình chiếu trên trục d và q của vecctor dòng stator m M : momen động cơ

L r , L m : điện cảm rotor, hỗ cảm giữa stator và rotor z p : số đôi cực của động cơ

T r : hằng số thời gian của rotor

Phương trình (3.4) cho thấy rằng từ thông rotor có thể được điều chỉnh thông qua dòng kích từ i_sd, đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát từ thông Đồng thời, thành phần dòng i_sq vuông góc với từ thông rotor là yếu tố quyết định momen của động cơ, được gọi là dòng tạo momen quay, tương tự như dòng phần ứng I_ư trong ĐCMC.

Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển lưu lượng ĐCMC Bằng cách điều chỉnh độc lập các thành phần dòng điện này ta có thể điều chỉnh từ thông và momen quay của động cơ qua đó điều chỉnh được tốc độ động cơ

3.2.2 Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay dq Động cơ không đồng bộ được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc cao Điều này xuất phát từ cấu trúc của các cuộn dây trong không gian và do tương tác giữa các mạch từ

Các đại lượng điện và từ thông được biểu diễn dưới dạng vector với các thành phần thực Chúng ta sử dụng chữ đậm để thể hiện các đại lượng vector và áp dụng các ký hiệu cụ thể.

 Chỉ số viết trên cao, bên phải:

- f: đại lượng trên hệ tọa độ dq quay đồng bộ với vector ừ thông rotor

- s: đại lượng trên hệ tọa độ cố định với stator

- r: đại lượng trên hệ tọa độ cố định với rotor

 Chỉ số viết phía dưới, bên phải:

- dq: thành phần thuộc hệ tọa độ dq

- : thành phần thuộc hệ tọa độ

Xuất phát xây dựng mô hình là từ hệ phương trình mô tả ĐCKĐB:

- Phương trình điện áp stator (viết trên hệ thống cuộn dây stator):

: điện trở stator, : từ thông stator

- Phương trình điện áp rotor (viết trên hệ thống cuộn dây rotor ngắn mạch):

: điện trở rotor, : từ thông rotor, : vector rỗng

: hỗ cảm; , : điện cảm phía stator, phía rotor

, : điện cảm tản phía stator, phía rotor

(3.8) là tích giữa 2 vector, : góc xen giữa , : góc xen giữa

(3.9) Im{} là phần ảo của biểu thức trong ngoặc, * là giá trị phức liên hợp

, : momen động cơ, momen tải; : số cặp cực

: momen quán tính; : tốc độ cơ học của rotor

Ta có các phương trình (3.5), (3.6) và (3.7) trên hệ tọa độ dq như sau:

Từ đây, ta triệt tiêu bớt 2 đại lượng không dùng đến là dòng rotor và từ thông stator , từ 2 phương trình cuối của (3.11) ta rút ra:

Thay (3.12) và (3.13) lại 2 phương trình đầu của (3.11) ta có:

( ) là hệ số từ tản toàn phần là hằng số thời gian stator là hằng số thời gian rotor

Sau một vài biến đổi ta thu được hệ phương trình thành phần như sau :

Ta định nghĩa các đại lượng mới:

Hình 3 4 Mô hình ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq

Kết hợp (3.15) với phương trình moment ta sẽ thu được mô hình ĐCKĐB trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor dq

Cấu trúc điều khiển vector ĐCKĐB xoay chiều ba pha

Các khối RΨ và Rω là khối điều chỉnh từ thông và tốc độ, trong khi khối Risd và Risq điều chỉnh dòng điện I sd và I sq, đảm bảo áp dụng các đặc tính truyền đạt và tách kênh Mô hình động cơ, hay mô hình từ thông, bao gồm các phương trình toán học đã được tính toán để ước lượng chính xác Ψrd dựa trên các đại lượng đo được như I sd, I sq và ω Ngoài ra, mô hình này còn tính toán góc θ s (góc giữa Ψ r và trục α) để chuyển đổi hệ tọa độ từ d-q sang α-β và ngược lại Đầu ra từ khối α-β sang a-b-c là các điện áp u* sa, u* sb, u* sc, được tính toán thông qua điều khiển vector Cuối cùng, điện áp ba pha này được đưa vào khối phát xung, và phương pháp điều chế xung PWM sẽ tạo ra xung để điều khiển IGBT trong mạch nghịch lưu.

Hình 3 5 Cấu trúc điều khiển ĐC KĐB tựa theo từ thông rotor

Góc θ s là góc quay của hệ tọa độ (d-q) so với hệ tọa độ cố định (α-β) có thể được tính trực tiếp hoặc gián tiếp

- Tính trực tiếp θ s nghĩa là ta đo trực tiếp sau đó dựa vào mối liên hệ trong các hệ trục ta đưa ra được công thức tính θ s như sau :

- Tính gián tiếp θ s bằng cách lấy tích phân tốc độ quay ω s của dòng, áp stator hoặc của từ thông rotor.

Cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển lưu lượng

Hình 3 6 Cấu trúc hệ thống điều khiển lưu lượng

Mục đích chính của đề tài là xây dựng được vòng điều khiển lưu lượng

Máy đo tốc độ quay

Mô hình từ thông dq αβ αβ αβ dq abc abc

Hệ thống điều khiển vector được thiết kế để ổn định tốc độ động cơ dựa trên giá trị tốc độ đặt, mà giá trị này được cung cấp bởi bộ điều khiển lưu lượng bên ngoài Vòng điều chỉnh lưu lượng sẽ sử dụng sai lệch giữa lưu lượng phản hồi Q, được tính gián tiếp qua hàm truyền đạt giữa tốc độ và lưu lượng, với giá trị lưu lượng đặt.

Q được sử dụng làm đầu vào cho bộ điều khiển, và thông qua thuật toán PI, giá trị đặt cho tốc độ sẽ được tính toán và gửi tới bộ điều khiển tốc độ bên trong.

Thiết kế các bộ điều khiển

3.5.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng i sd

Xuất phát từ phương trình thứ nhất của (3.15):

Vì hướng của từ thông rotor tựa theo hướng trục q, nên , ta bỏ qua thành phần xen kênh trên trục q, suy ra phương trình trên trở thành:

Trên cơ sở hệ thống điều khiển vector ở hình 3.5, ta có mạch vòng điều chỉnh dòng , sử dụng bộ điều khiển PI như hình 3.7:

Hình 3 7 Mạch vòng dòng isd Đối tượng điều khiển :

Sử dụng phương pháp xấp xỉ hằng số thời gian nhỏ, đặt , suy ra:

Sử dụng tiêu chuẩn tối ưu modul, thiết kế bộ điều khiển Rid là bộ điều khiển PI như sau:

3.5.2 Thiết kế bộ điều khiển dòng i sq

Xuất phát từ phương trình thứ 2 của (3.15): σ

Từ đây, ta bỏ qua thành phần xen kênh trên trục d, có thêm , Đặt

Trên cơ sở cấu hình điều khiển vector ở hình 3.5, ta xây dựng mạch vòng điều chỉnh dòng , sử dụng bộ điều khiển PI như hình 3.8:

Hình 3 8 Mạch vòng dòng isq

Hàm truyền đối tượng là :

Sử dụng phương pháp xấp xỉ hằng số thời gian nhỏ, đặt , suy ra:

Sử dụng tiêu chuẩn tối ưu modul, thiết kế bộ điều khiển Rid là bộ điều khiển PI như sau:

Hàm truyền hệ hở bao gồm bộ điều khiển và đối tượng điều khiển là :

( ) (3.28) Hàm truyền hệ kín bao gồm cả bộ điều khiển và đối tượng là:

3.5.3 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ

Xuất phát từ phương trình chuyển động (3.10):

Từ cấu hình điều khiển vector ở hình 3.5, ta xây dựng mạch vòng điều chỉnh tốc độ với bộ điều khiển tốc độ là bộ điều khiển PI như hình 3.9:

Hình 3 9 Mạch vòng điều khiển tốc độ

Ta xấp xỉ hàm truyền hệ kín vòng dòng i sq như sau :

( ) (3.30) Để đơn giản trong thiết kế, ta bỏ qua moment cản m T , đối tượng điều khiển là:

Ta có thể xấp xỉ về khâu tích phân quán tính bậc nhất bằng cách cộng dồn 2 hằng số thời gian ở mẫu số lại, cụ thể:

Từ đó ta thiết kế bộ điều khiển là bộ điều khiển PI theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng như sau:

Chọn hệ số a=4, suy ra:

( ) √ ( ) Hàm truyền hệ hở gồm bộ điều khiển và đối tượng là:

(3.34) Hàm truyền hệ kín gồm bộ điều khiển và đối tượng là:

3.5.4 Thiết kế bộ điều khiển lưu lượng

Từ sơ đồ cấu hình hệ điều khiển lưu lượng và hệ điều khiển vector ở hình 3.5, ta xây dựng được mạch vòng điều chỉnh lưu lượng như hình 3.10:

Hình 3 10 Mạch vòng điều chỉnh lưu lượng

Hàm truyền tốc độ - lưu lượng : ω ω ω ω ω

Hàm truyền hệ kín mạch vòng tốc độ được xấp xỉ như sau:

≈ (3.37) Như vậy, đối tượng điều khiển của mạch vòng điều chỉnh lưu lượng là:

Tổng hợp bộ điều khiển lưu lượng theo tiêu chuẩn tối ưu modul là bộ điều khiển PI như sau:

3.5.5 Xây dựng mô hình tính toán từ thông và góc lệch giữa hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ đứng yên

Xuất phát từ mô hình đối tượng điều khiển ĐCKĐB (mục 1.3 tài liệu tham khảo [1]):

Laplace phương trình thứ nhất của (3.40) ta thu được:

Công thức tính góc quay:

Góc quay của từ thông rotor (so với hệ tọa độ đứng yên) Góc quay ban đầu (giả thiết )

Tốc độ góc của từ thông rotor ( )

Sử dụng công thức tính tốc độ trượt:

Ta xây dựng được mô hình tính toán từ thông như hình 3.11 sau:

Hình 3 11 Mô hình tính toán từ thông. ω ψ ω ω θ

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	2,94 MB